盧亞娟 崔瑞超 司靜靜

摘 要：本文根據(jù)多組分動(dòng)態(tài)配氣裝置工作原理，采用ZigBee技術(shù)，設(shè)計(jì)出一套可對(duì)配氣裝置進(jìn)行近距離無(wú)線(xiàn)操作的通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32作為控制核心，CC2420芯片作為射頻、發(fā)送接收模塊，完成了協(xié)調(diào)器、終端控制器、顯示模塊的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以近距離控制配氣裝置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體種類(lèi)和參數(shù)的設(shè)定，連續(xù)配制并輸出濃度值持續(xù)可調(diào)的混合標(biāo)準(zhǔn)氣體，減輕了檢定人員的工作強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：ZigBee;配氣裝置;無(wú)線(xiàn)操作

中圖分類(lèi)號(hào)：TN92文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）35-0015-03

Abstract： Based on the working principle of the multi-component dynamic gas distribution device， this paper used ZigBee technology to design a communication system that can perform short-range wireless operation of the gas distribution device. The system uses STM32 as the control core， and CC2420 chip as the radio frequency， transmitter and receiver module， thus completing the design of the coordinator， terminal controller and display module. Field tests have shown that the system can control the gas distribution device at close range， thereby realizing the setting of gas types and parameters， continuously preparing and outputting mixed standard gases with continuously adjustable concentration values， and reducing the work intensity of the inspectors.

Keywords： ZigBee;gas distribution device;wireless operation

氣體探測(cè)器和分析儀在長(zhǎng)時(shí)間工作后，精度往往會(huì)下降，通常通過(guò)一定的配氣裝置對(duì)氣體探測(cè)器或分析儀進(jìn)行檢定，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和完善，基于質(zhì)量流量控制法的多組分動(dòng)態(tài)配氣裝置逐漸成為配氣裝置設(shè)計(jì)的主流[1-2]。目前，氣體探測(cè)器的檢定大多采用離線(xiàn)周期送檢的方式，將探測(cè)器拆卸掉進(jìn)行檢定。但是，被檢定儀器工作環(huán)境惡劣，不便人員來(lái)回走動(dòng)。同時(shí)，檢定儀器又需要多次修改配氣裝置參數(shù)，給檢定人員帶來(lái)較大的工作量，檢定效率不高[3]。針對(duì)此問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一套帶近距離無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的配氣裝置，可提高儀器檢定效率。

1 配氣裝置的工作原理

如圖1所示，該配氣裝置主要由流量控制器、PC機(jī)及人機(jī)界面、A/D和D/A接口卡構(gòu)成，其中A/D和D/A接口卡通過(guò)USB接口與PC機(jī)及人機(jī)界面連接。

PC機(jī)及人機(jī)界面主要完成人機(jī)交互的功能，運(yùn)行動(dòng)態(tài)多組分配氣系統(tǒng)程序。檢定員通過(guò)人機(jī)界面將參數(shù)設(shè)定以后，PC機(jī)將參數(shù)通過(guò)USB接口交由單片機(jī)處理后送往接口卡的D/A單元，單片機(jī)控制輸出調(diào)整流量控制開(kāi)度的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)控制氣體流量的功能。同時(shí)，A/D模塊接收流量控制器的流量信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，通過(guò)USB接口將數(shù)據(jù)送到PC機(jī)顯示，進(jìn)行流量的實(shí)時(shí)監(jiān)控。單片機(jī)會(huì)根據(jù)流量信號(hào)計(jì)算出實(shí)時(shí)流量并通過(guò)PC機(jī)顯示。單片機(jī)還會(huì)比對(duì)實(shí)際流量測(cè)量值和預(yù)先設(shè)定值，根據(jù)比對(duì)結(jié)果進(jìn)一步調(diào)整流量控制器的開(kāi)度，此過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，直到實(shí)際流量測(cè)量值對(duì)象的實(shí)際濃度與設(shè)定濃度在允許的誤差范圍內(nèi)。

系統(tǒng)采用帶USB接口的A/D和D/A接口卡進(jìn)行流量監(jiān)控。配氣裝置通過(guò)USB通信模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，USB通信模塊與接口卡中的單片機(jī)之間通過(guò)總線(xiàn)讀寫(xiě)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。A/D轉(zhuǎn)換模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊以及USB通信模塊均被單片機(jī)控制并完成相應(yīng)的功能，單片機(jī)內(nèi)部具有A/D和D/A數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，滿(mǎn)足數(shù)據(jù)處理的需要。在各個(gè)模塊的協(xié)調(diào)工作下，高濃度標(biāo)準(zhǔn)氣體與稀釋氣體進(jìn)行混合，從而輸出滿(mǎn)足設(shè)定濃度要求的標(biāo)準(zhǔn)氣體。

2 無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的核心部件為兩個(gè)ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模塊，其中一個(gè)通信模塊作為手持終端用來(lái)設(shè)定各種參數(shù)，另一個(gè)通信模塊用來(lái)接收手持終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，并由配氣裝置處理后執(zhí)行相應(yīng)的操作。具體工作時(shí)，配氣裝置可以與待檢定的氣體探測(cè)器以及手持終端保持一定距離，通過(guò)手持終端控制配氣裝置輸出相應(yīng)濃度的氣體，配氣裝置上設(shè)置有一定長(zhǎng)度的氣管，配氣裝置輸出的標(biāo)準(zhǔn)氣體通過(guò)該氣管輸送給氣體探測(cè)器，從而對(duì)氣體探測(cè)器進(jìn)行檢定。

2.1 系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)

ZigBee是新興的短距離雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，成本低，應(yīng)用便利，且能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)檢定環(huán)境的要求，因此，本文選用ZigBee技術(shù)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)近距離通信。如圖2所示，該系統(tǒng)具有兩個(gè)ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模塊，這兩個(gè)ZigBee模塊配合工作。一個(gè)用于發(fā)送數(shù)據(jù)，位于手持終端，與鍵盤(pán)電路和LCD顯示電路連接，鍵盤(pán)電路和LCD顯示主要用于人機(jī)交互;一個(gè)用于接收數(shù)據(jù)，位于配氣裝置上，接收手持終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送給配氣裝置的單片機(jī)，完成數(shù)據(jù)通信。

2.2 ZigBee通信模塊的硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的近距離無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)主要包括微處理器模塊、電源模塊、JTAG調(diào)試模塊和射頻芯片CC2420模塊。

2.2.1 微處理器模塊。通信系統(tǒng)選用STM32作為主控芯片，完成系統(tǒng)的控制操作，包括數(shù)據(jù)的傳遞處理、控制協(xié)調(diào)各個(gè)模塊間配合完成通信工作等。本文中，STM32主控芯片具體為STM32103ZET6，STM32103ZET6具有豐富的外設(shè)資源，大大簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)工作，并且具有較強(qiáng)的信號(hào)處理能力和抗干擾能力。通信系統(tǒng)位于配氣裝置時(shí)，單片機(jī)接收處理數(shù)據(jù)后將其發(fā)送給配氣裝置，位于手持終端時(shí)，單片機(jī)將處理后的數(shù)據(jù)傳送給LCD屏進(jìn)行顯示。

2.2.2 電源管理模塊。主控芯片STM32103ZET6可以采用干電池供電，也可以采樣5 V電源供電。該無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)位于手持終端時(shí)，手持終端所處環(huán)境較惡劣，因此選用干電池串聯(lián)供電，再通過(guò)穩(wěn)壓器TPS76833轉(zhuǎn)換為3.3 V的電信號(hào)，給CC2420芯片供電。接收端與配氣裝置相連接，與配氣裝置采用220 V交流供電。該無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)位于配氣裝置時(shí)，采樣電源適配器和電壓轉(zhuǎn)換器將交流電轉(zhuǎn)化為5 V電信號(hào)為主控芯片供電，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為3.3 V，為射頻芯片供電，有效保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

2.2.3 CC2420射頻芯片模塊。CC2420射頻芯片主要用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，由CC2420芯片和外圍電路構(gòu)成，CC2420射頻芯片采用SPI接口與主控芯片進(jìn)行通信，完成數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。CC2420自身內(nèi)部集成了8051內(nèi)核、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊等，因此，在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，不需要復(fù)雜的外圍電路設(shè)計(jì)，就可以構(gòu)成一個(gè)完整的無(wú)線(xiàn)近距離通信的數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)。電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，因此縮短了項(xiàng)目周期，提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.2.4 JTAG調(diào)試接口模塊。JTAG調(diào)試接口模塊負(fù)責(zé)將編譯后的文件下載到射頻芯片中，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟件仿真和硬件電路的調(diào)試。

3 無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

手持終端部分的通信系統(tǒng)主要接收鍵盤(pán)輸入的氣體種類(lèi)、氣體濃度和流量等信息，再通過(guò)ZigBee通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給與配氣裝置連接的無(wú)線(xiàn)通信模塊，軟件部分需要在系統(tǒng)上電后對(duì)微處理器STM32、射頻芯片CC2420以及接口進(jìn)行初始化，微處理器時(shí)刻檢測(cè)鍵盤(pán)電路是否有數(shù)據(jù)輸入，有數(shù)據(jù)輸入后，微處理器處理并控制LCD屏進(jìn)行顯示，并通過(guò)射頻芯片將信息數(shù)據(jù)發(fā)送至與配氣裝置連接的射頻芯片。手持終端軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

與配氣裝置連接的接收終端負(fù)責(zé)接收來(lái)自手持終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，并根據(jù)接收的數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)操作。系統(tǒng)上電后，先進(jìn)行初始化。初始化完成后，實(shí)時(shí)掃描手持終端是否有數(shù)據(jù)發(fā)送，若檢測(cè)到數(shù)據(jù)，則將接收的數(shù)據(jù)交由配氣裝置處理并完成相應(yīng)操作。配氣裝置接收終端軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

4 儀器現(xiàn)場(chǎng)檢定性能分析

在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，多組分動(dòng)態(tài)配氣裝置中，A路通入高純氮?dú)?，C路通入濃度為2.99%（mol/mol）的國(guó)家一級(jí)甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體。選取其與配氣裝置的通信距離分別為5、10、30、50、70、85 m，得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。不考慮由氣體分析儀器帶來(lái)的誤差，可得到儀器的相對(duì)誤差小于2%，滿(mǎn)足相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)大量試驗(yàn)與應(yīng)用，這種基于ZigBee近距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)設(shè)計(jì)的智能氣體配氣裝置具有精度高、響應(yīng)速度快、通信距離遠(yuǎn)，操作簡(jiǎn)單和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。其改善了當(dāng)前的配氣裝置操作方式，提高現(xiàn)場(chǎng)檢定儀器的工作效率，減少了操作人員的工作強(qiáng)度，具有很好的應(yīng)用前景。隨著近距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的不斷革新，配氣裝置的無(wú)線(xiàn)通信性能也會(huì)有進(jìn)一步的提升。

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